船舶操纵性综合评价方法的研究

第１７巷第１期　２　０　０　２年１月　ＪＯｕＲＮＡＬ　ＯＦ　ＤＡＬＩＡＮ　ＦＩＳＨＥＲＩＥＳ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　大连水产学院学报　Ｖｏ】ｌ７　Ｎｏ．】　Ｍ　ｎｒ　２００２　文章编号：１０００—９９５７　ｃ　２００２）０１　００４２—０６　船舶操纵性综合评价方法的研究　姚　杰‘，　卓永强　，　吴兆麟　，　方祥麟　｛１．大连水产学院海洋渔业系，ｉ工宁大连ｌ１６０２３；２．寨美大学航海学院　厦门３６１０００　３．大连悔事大学．辽宁大连１ｌ６０２３】　摘要：在分析船舶操纵性能的基础上　确定了评价船舶操纵性能的指标　并利用工程模　糊集理论中的多级模糊识别模型对船舶操纵性能进行了评价，结果袭明．用多级模糊识　别模型对船舶操纵性能进行评价，可省去建立绝对隶属函数的大量繁杂工作，并能在一　定程度上消除＾为的主观影响。　关键词：船舶操纵；综合评价方法；模糊集理论　中图分类号：Ｕ６７５．９６　文献标识码：Ａ　近年来，由于船舶数量增多、吨位增大，造成航运密度相对提高，海损事故有增加　的趋势。造成这种情况的原因是多方面的．但船舶本身所固有的操纵性能的好坏，直接　影响着船舶操纵安全，因而引起了造船界和航海界对船舶操纵性能的高度重视。有关设　计研究人员和专门机构在制定船舶操纵性衡准方面也做了大量的工作。ＩＭ０的设备设　计小组委员会早在１９７８年开始着手船舶操纵性能的研究，并作出了有关提供和显示船　舶操纵资料的建议；１９９０年在小组委员会的工作小组内，提出了用作研讨的船舶操纵　性暂定标准。但由于船舶操纵性的指标众多，因而，如何对给定一艘船舶的操纵性进行　综合评价．成为造船界与航海界都在着力解决的问题　提出了对船舶操纵性进行综合评价的新方法。　。作者在前人研究的基础上，　１船舶操纵性评价指标　１．１船舶操纵性评价指标及衡准　由于操纵性能和衡准的多样性及各操纵性能之间的矛盾性，使得评价一艘船舶的操　纵性好坏十分困难，更难以进行船舶之问操纵性优劣的比较。文献［１］、［２］都对船舶　操纵性评价作了研究，提出了模糊评价方法。两文献中所采用的操纵性评价指标基本相　同，但各指标的衡量指标有所不同。在文献［１］中．船舶操纵性评价主要考虑了５种　船舶操纵性能．即直线稳定性、航向改变性、回转性、制动性和低速航行性。它们各自　的衡量指标分别取为：剩余角速度　、初始转首时间ｔ　相对回转直径Ｄ　、相对制动　冲距Ｒ　和能维持舵效的最低航速　。。在文献［２］中，同样选用这５种船舶的操纵　收稿日期：２００ｌ４３３．２３　基金项目；国家自熟科学基金赍助项目ｆ７９４７００１６）　作者简介：媲杰｛１９６４一）．男．剐教授．博士。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　姚杰等：船舶操纵性综合评价方法的研究　４３　性指标，但所选取的衡量指标有所不同。其衡量指标为回舵转首惯性（操舵２０￣至船舶　稳定回转，然后回舵至中，从回舵至船首停止偏转时船首所转过的角度）、初始转首时　阃（从下令操舵２０。算起至船首偏转２０。时所经过的时间）、相对回转直径、相对制动冲　距和维持舵效的最低速度。两篇文献都是通过发放调查表．利用模糊统计的方法来确定　各评价指标的隶属函数。然而，由于模糊统计本身存在缺陷，所以对评价的客观性及准　确性会产生影响。　但是，文献［１，２］所采用的操纵性评价指标有值得商榷之处，如船舶航向稳定性　指数与航向保持性能和航向改变性有着密切的关系，这些指数均来自航向稳定性，故应　采用一个相同的指数来评价船舶的航向稳定性。从实际情况看．螺旋试验滞后环的宽度　与高度也是实用的指数　。野本谦作　的　、　指数以及ｚ形试验的超越角都可以成　为操纵性指数。改向试验或平行移动操船的结果也可　用作操纵性指数。　习惯上，滞后环的宽度与高度一直被广泛应用于在海上进行螺旋、逆螺旋试验或操　舵试验。但这些试验需要宽阔的水域和特殊的装置来测量旋回的速率，而且需要相当长　的时间。　虽然稳定性指数Ｄ和野本谦作的指数　、　都有明确的物理意义，但是操船人员　很难根据其大小想象船舶的运动。另外，非线性水动力对指数的影响也很大。因此，　１０。ｚ形试验的第１个超越角被提出作为通用指数。船长可以利用经验根据控舵（ｃｈｅｃｋ　—ｈｅｌｍ）的有效性或改向的超越角分析船舶的航向稳定性。　１．２　ＩＭＯ操纵性指标衡准　１９９３年１２月，ＩＭＯ　Ａ　７５１（１　８）　给出了船舶操纵性暂行衡准，其操纵性标准适用　于１９９４年７月１日以后建造的１００　ｍ以上的船舶。所提出的标准包括旋回性能、初始　旋回性能、保向性能、改向性能以及停船性能（表１）。　表１船舶操纵性指标　Ｔａｂ　１　Ｉｎｄｅｘｅｓ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ　作者根据ＩＭＯ所给出的操纵性衡准，利用工程模糊集理论中的模糊识别模型，对　操纵性评价进行了研究，提出了操纵性模糊评价方法。　２船舶操纵运动方程　在进行船舶操纵性评价时，其评价指标的各个数据应来自实船试验，但进行实船试　维普资讯 http://www.cqvip.com

４４　大连水产学院学报　第１７卷　验要受到多种因素的制约又难于实现　因此，笔者利用船舶操纵运动模型及仿真技术来　取得待评价船舶的各项指标数据。　２．１船舶操纵模拟数学模型　在进行船舶航行安全评价时，船舶操纵运动模型及其模拟仿真技术是必不可少的技　术手段。本文作者采用大连海事大学船舶交通仿真研究室研制的船舶操纵控制软件，以　及不用控制箱的船舶操纵模拟平台，并根据ＭＭＧ模型建立船舶的运动方程如下：　ｒ（ｍ＋ｍ　）　一　（ｍ＋ｍ，）　＝ＸＨ＋　Ｐ＋　＾，　ｌ（ｍ＋ｍ　）０＋（ｍ＋　）　其中：ｍ、ｍ　、ｍ，、，　、　、　＝ｙＨ＋ｙＰ＋ｙ＾，　（１）　Ｌ（，；　＋Ｊ：　）曲＝Ｎｌｌ＋ⅣＰ＋Ⅳ＾，　Ｊ　分别为船舶的质量、附加质量、惯性矩和附加惯性矩；　为船舶运动的速度分量及转首角速度；Ｘ、ｙ及Ⅳ分别为作用于船体上的外　力及力矩；下标Ｈ为裸船体，Ｐ为浆　Ａ为风。方程的具体内容略。　２．２船舶运动仿真试验结果　作者选取了３种典型船舶，各船的基本数据见表２。通过计算机模拟求出了各船各　操纵性评价指标的预报值，操纵性预报的条件是水域宽阔，无风、无流。各指标的预报　值见表３。　表２船舶基本数据　Ｔａｂ　２　Ｓｈ｜ｐ　ｄａｔａ　注：＾　——船舶滴舵旋回的纵距；Ｄ．——旋回初径；＾ｍ——船舶ｌ　ｚ形操纵第ｌ伏操反舵时的进距　ｃｓＤ——倒车停船距离：ｌ０ｚＩｏ——ｌ０。ｚ堆揖纵的第ｊ超越角；ｌＯ　０——ｌＯ。ｚ形操纵的笫２超越角　２０ｚ１０——２Ｏ。ｚ形操纵的第１超越角　３船舶操纵性模糊识别评价方法　３．１工程模糊集理论　模糊集台论从诞生到现在虽然只有短短三十几年的时间，却已经取得了举世瞩目的　进展，其应用遍及工程技术、生态环境、社会经济等领域的许多方面。陈守煜…根据自　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　姚杰等：船舶操纵性综台评价方法的研究　４５　己的研究，创立了以相对隶属度、相对隶属函数概念为基础的工程模糊集理论。从理论　上与试验两方面提出了解决工程模糊集台论长期存在的难题——科学、合理地确定隶属　度、隶属函数的有效途径，从理论上消除了对隶属度、隶属函数客观性与科学性的疑　虑，从而进一步促进模糊集合论在工程技术领域的广泛应用。作者直接将陈守煜：　的研　究成果用于操纵性评价的研究。　３．２多级模糊识别模型　设有需要对模糊概念或模糊子集Ａ进行识别的ｎ个样本组成的集舍，有ｍ个指标　（或目标）的特征值表示样本的整体特征，则有样本集的指标（或目标）的特征值矩阵　Ｘ＝（　），　（２）　式中：　——样本　指标ｆ的特征值，ｉ＝１，２，…，ｍ．　＝１，２，…，ｎ。　如样本集依据ｍ个指标按　个状态或级别的已知指标标准特征值进行识别，则有指　标标准值矩阵　ｙ＝（　），　（３）　式中：Ｔ　——状态或级别ｈ、指标￡的标准特征值，ｈ：ｌ，２，…，ｃ，ｅ＝１，２，…，ｍ。　把指标与指标标准特征值矩阵变换为对Ａ的指标与指标标准特征值的相对隶属度　矩阵分别为　Ｒ＝（　），　Ｓ＝（　）。　（４）　将样本ｉ的ｍ个指标相对隶属度ｒ，、ｒ　，分别与矩阵ｓ的第１、第２、…、第ｍ行行向　量（　…，ｓ　）．（￥２ｔ，ｓ　，…，　：　），…，（ｓ…　，…，　）逐一地进行比较，可得样本　的级别上限值ｂｊ和级别下限值ｑ。　设样本集对Ａ各个级别的相对隶属度矩阵为　Ｕ＝（Ⅱ　），　（５）　式中：　——样本，对Ａ级别ｈ的相对隶属度，，＝１，２，…・　，ｈ＝１，２，…，ｃ。　由于样本　在级别区间叶、６　范围内，故矩阵应满足归一化约束条件∑　ｕ　＝ｌ　因样本集中每个样本的级别区间范围不同，一般从ｎ个样本、ｃ个级别的整体考虑，　矩阵Ｕ应满足归一化约束条件为∑　，　＝１。若样本　指标ｌ的权重不同・设样本集指　标ｉ的权重矩阵为　Ｗ：（　），　（６）　式中：　——样本』指标　的权重，一般应满足∑　＝１，Ｖ，。　样本ｆ与级别＾之间的差异，用广义距离表示为ｄ　＝［∑．　（　一　）　】　。通常样　本　、指标ｉ的权重不同，引人权重矩阵，用广义权距离表示样本』与级别ｈ之间的差异・　ｄ　＝｛∑［　。（　一　）　］　式中：ｐ——距离参数，Ｐ＝１为海明距离，Ｐ＝２为欧氏距离。　（７）　维普资讯 http://www.cqvip.com

４６　Ｏ　大连水产学院学报　ｈ‘　或ｈ＞６，；　第ｌ７卷　≤ｈ≤６Ｊ，ｄ　≠０　∑［　。（～一　）］　∑［ｍ。（　一ｓ　）］　１，ｄ～＝０　ｏ　（８）　式（８）称为多级模糊模式识别模型。　４　多级模糊识别模型的应用　为了将多级模糊识别模型应用于船舶操纵性的评价，首先将操纵性的指标标准值进　行分级，具体分级情况见表４。　衰４船舶操纵性评价指标分级表　Ｔａｂ．４　Ｔａｂｌｅ　ｏｆ　ｉＢｄｅｘ￣ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ　注：表中的符号意卫同表ｌ。　以船舶向右旋回为例，根据表３得出样本指标矩阵　，根据表４得出指标标准值矩　阵ｙ，　３．９ｌ　４．７１　３　３３　３．４８　１．９２　３．７９　１．５　２．２　３．５　４．５　１　５．０　Ｉ　５．６３　６．６Ｉ　２　２７　２．６６　＝　２　０　３．０　４．０　１．０　１　５　２．０　２　５　ｌ　４　４０　６　５０　ｌ　２０　１．１０　１．７０　ｌ　６０　　ｌ，＝　２．５　７．０　Ｉ１．５　１５　０　ｌ０　０　３．０　４．３０　５　７０　６．０　１０．０ｌ　５．０　ｌ５．０　２５　０　ｌ　３．３０　３．９０　１０　３０Ｊ　Ｌ　０　５　Ｉ５　０　２５　０Ｊ　应用式（４）分别将矩阵　、ｌ，变换为相应的相对隶属度矩阵Ｒ、ｓ　０．１９　０．００　０　３９　１．Ｏ０　０．６７　０．３３　０　００　１．００　０．６７　０．３３　０　Ｏ０　１．００　０．６７　０．３３　０．Ｏ０　＝　　０．ｏｏ　０．ｏｏ　０．５１０．１５　０．ｏｏ　０．３９　＝　０．８５　０．６８　０．９０　０．９８　０．９９　０．６３　０　９５　０　９６　０　６６　１．００　０　６４　０　２８　０．Ｏ０　１．００　０．７８　０．４４　０．Ｏ０　１．Ｏ０　０．７１　０．３６　０．Ｏ０　０．９０　０．８８　０．，ｌｉｌ　Ｊ　Ｌ　１．Ｏ０　０．８３　０．４２　０－００　对３艘船舶的操纵性评价结果见表５。从表５可见，第３艘船舶的操纵性最好，第　１艘船舶次之，第２艘船舶的操纵性最次，这和实际情况相符。　实际上，操纵性各指标的权重是不应相同的。日本学者…的研究表明，在ＩＭＯ所　采纳的５个操纵性衡准中，旋回性能和初始旋回性能的衡准是非常合理的，但对于保向　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　姚杰等：船舶操纵性综旮评价方法的研究　４７　另外，专家认为这几个指标的重要性是不相等的。鉴于此，应对操纵性指标的权重　进行确定，确定权重的方法很多，如统计方法、成对比较方法和层次分析法中的判断矩　阵方法等等。　笔者用层次分析法中所述构造判断矩阵的方法，得到权重向量为　．Ｉ，＝（０．１１　３２，０．２８５１，０．１１３２，０．２８５１，０．１１３２，０．０４５２，０　０４５２）。　从结果可以看出，第３艘船舶的操纵性能最好，属于２级（良好），雨第２艘船舶的操　纵性能接近第３级（一般），第１艘船舶的操纵性能介于二者之间。　５结束语　笔者首先分析了船舶操纵性能，确定了评价船舶操纵性能的指标。然后利用多级模　糊识别模型对船舶操纵性能进行了评价，结果表明可以利用工程模糊集理论中的多级模　糊识别模型对船舶操纵性能进行评价。利用工程模糊集理论，计算相对隶属度，应用于　船舶航行安全评价方面是完全可行的，不仅可以节省建立绝对剥夺隶属函数的大量繁杂　工作，丽且在一定程度上消除人为的主观影响。　参考文献：　［１］李美菁、吴秀恒．船舶操纵性能的综台评判［Ｊ】中国造船．ｉ９８９、（２）：５一ｔｏ　（２］史国友．船舶操纵安生综合评爿系统［Ｄ】大连：大连海事太学，１９９６　［３］野奉谦作船舶操纵性和控制厦其在船舶设计中的应用［ｚ】北京：中国船舶科学研究中心，１９８５．　Ｃ４　３　ＩＭ０　Ｒｅｓｏｌａｔｉｏｎ＾７５１（ｉｓ）１９９３．Ｉｎｔｅｒｉｍ　ｓｔａｎｄａｒｄｓｆｏｒ　ｓｈｉｐ　ｍａｎ￣ｕｖｒａｂｉｌ［ｔｙ［ｚ】　１９９３．　［５］陈守煜工程模榴集理论与应用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９８　［６］ＹＯＳＨＩＭＵＲＡ　Ｙ，ＫＯＳＥ　Ｋ　Ｓｏｍｅ　ｄＪ￣ａｓｓｉｏｎｓ　ｏｎｔｈｅＩＭＯ　ｍａｎｏｅｕｖｒａｂｉＨｔｙ　ｓｔａａｄａｒｄ［Ａ］．Ｍａｒｉｎｅ　ｓｉｍｄａｔｌｏｎ　ａｎｄ　ｓｈｉｐ　ｍａａｏｅａｖｒａｂｉｌｉｔｙ［ｃ】　ＢＭｋｅｍａ，Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ．１９９６．　Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ＹＡＯ　Ｊｉｅ’．ＺＨＵ０　ＹＯＮＧ－ｑｉａｎｇ２，　ＷＵ　ＺＨＡＯ－ｌｉｎ　，　ＦＡＮＧ　ＸＩＡＮＧ－ｌｉｎ　ｒ　Ｊ　Ｄｅｐｌ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｆｊ　Ⅲ　Ｄａｌｌａｎ　Ｆｉｓｈｅｒｉｅｓ　Ｕｎｌｖ，　Ｄ￣Ｊａｎ】１６０２３　Ｃｈｉｎａ；２，ｂｌａｒｌｔｌｍ￣Ｆａｅｕｈｙ　ｏｆ　Ｊｉｍｅｉ　Ｕｎｉｖ，Ｘｉａｍ￣３６１０００，Ｃｈｉｎａ；３　Ｄａｌｉａｎ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｕａｉｒ．．Ｄａｌｉａｎ　ｌ　Ｉ６０２４．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｎｄｅｘｅｓ　ｆｏｒ　ｓｈｉＤ　ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｃｈｏｓｅｎ　ｆｉｒｓｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｆｕｚｚｙ　ｓｅｔ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｆｏｒ　ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｓｈｉｐ．Ｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｓａｖｅ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｅｌｉｍｉ—　ｈａｔｅ　ｓｏｍｅ　ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｅｒｒｏｒｓ　ｉｎ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｅｘｔｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ；ｓｈｉｐ　ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ａｓｚｅｓｓｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ｆｕｚｚｙ　ｓｅｔ